JP2009102184A - 3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 炭化水素ガスよりCO2 を発生させずに水素を連続的に生産するためには、操業中絶えず加熱が必要であった。
【解決手段】 装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法とした。
【選択図】 図1
【解決手段】 装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法とした。
【選択図】 図1
Description
本発明は、炭化水素ガスと酸素だけを使って、CO2 を発生させないで水素を連続的に生産する方法で、3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法に関するものである。
本発明は、炭化水素ガス(以下、メタンと称する)を水素と炭素に加熱分解し、水素を得るための方法に関するものである。
メタンは無酸素状態で、500〜1000℃に加熱すると、
Cn H2n+2 → nC+2nH2 に分解するが、これは吸熱反応であり、その上、メタンの加熱と反応炉の熱損失を補うために、操業中は絶えず加熱する必要がある。この加熱のための熱量と生産される水素の熱量の差が、水素側に大きいほど有用なメタンの改質装置となる。
Cn H2n+2 → nC+2nH2 に分解するが、これは吸熱反応であり、その上、メタンの加熱と反応炉の熱損失を補うために、操業中は絶えず加熱する必要がある。この加熱のための熱量と生産される水素の熱量の差が、水素側に大きいほど有用なメタンの改質装置となる。
このため、メタンの加熱分解を如何なる方法で行うか、加熱炉の熱損失を如何にして少なくするか、損失熱量の回収と利用ができるか、といった事が重要な技術的課題である。
従来法では、触媒が詰められた管状の炉を外部より加熱し、内部を700〜1000℃にした後、メタンを管中に導入し、加熱された触媒にメタンを接触させ、メタンを分解させて排出口より水素と炭素を取り出すというものである(石油学会誌 40vol. No. 1,2,3 1997) 。
しかし、この方法ではメタンを外部加熱するため、燃料効率が悪く、多量のLPGや電力を使用するので実用化は出来なかった。
特開2002−321904号公報
石油学会誌 40Vol No. 1,2,3 1997
炭化水素ガスよりCO2 を発生させないで、水素を連続的に生産するのに、操業中絶えず加熱が必要であった。
本発明は、上記の事情に鑑み、炭化水素ガスよりCO2 を発生させないで、水素を連続的に生産するのに、操業中必要な時だけ加熱するようにすべく、装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法とした。
また、本発明は、炭化水素の種類と分解温度範囲の多くについて対応できるようにすべく、金属触媒筒はパラジウム、ニッケル、クロム、コバルト、白金の薄板を使用した。
さらに、本発明は、炭化水素と酸素からだけで水素を生産するための操作および制御を容易にするために、装置全体から空気を排除する操作、炭化水素を加熱分解して粗水素を作る操作、前記の粗水素を燃料として生産する工程の全てをバルブの操作で行えるようにした。
本発明は、装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法であるので、炭化水素ガスよりCO2 を発生させないで、水素を連続的に生産でき、操業中必要な時だけ加熱するようにした。
また、本発明は、金属触媒筒はパラジウム、ニッケル、クロム、コバルト、白金の薄板を使用したので、炭化水素の種類と分解温度範囲の多くについて対応できる。
さらに、本発明は、装置全体から空気を排除する操作、炭化水素を加熱分解して粗水素を作る操作、前記の粗水素を燃料として生産する工程の全てをバルブの操作で行えるようにしたので、炭化水素と酸素からだけで水素を生産するための操作および制御を容易にすることができる。
図1は、本発明のメタンを水素と炭素とに分解する反応炉の縦断面図、図2は反応炉の内部を示す断面図、図3は本発明の水素生産の装置の全体図である。
本発明は、メタンの加熱方法として、内部加熱方式を採っている。
断熱材で厚く覆われたバーナーの外筒より酸水素炎を吹き出させ、内筒よりメタンを吹き込むことによってメタンを直接加熱し、同時にバーナーの炎の中に設けられた触媒によってメタンを水素と炭素に分解するという方法で、熱効率が良いばかりでなくCO2 の副生がない、装置が小型で熱損失が少ないという利点がある。
本発明は、メタンと酸素だけでCO2 の副生なしに水素を経済的に生産するものである。その操作は、次の3つの段階に分かれている。
第1段階 装置全体から空気を排除する操作
第2段階 メタンを加熱分解して粗水素を作る操作
第3段階 前段階が作った粗水素を燃料として水素を生産する操作
本発明の装置を起動させる第1段階は、図3に示す装置全体から空気を排除することである。アルゴンや窒素などの不活性ガスを使用して、装置内の空気を排除することもできるが、本発明ではメタンと酸素だけを使用してその目的を達成するものである。
第2段階 メタンを加熱分解して粗水素を作る操作
第3段階 前段階が作った粗水素を燃料として水素を生産する操作
本発明の装置を起動させる第1段階は、図3に示す装置全体から空気を排除することである。アルゴンや窒素などの不活性ガスを使用して、装置内の空気を排除することもできるが、本発明ではメタンと酸素だけを使用してその目的を達成するものである。
まず、図1のガス投入口13よりメタンを、別のガス投入口22より酸素を、各ボンベより供給を受け、バルブ25、30、24を徐々に開いてガス混合室26にてメタン酸素の当量混合ガスを作り、バーナーの吹管外筒19に送り込み、吹管外筒19と吹管内筒27との間の空間20を矢印8のように吹き出させる。なお、ガス投入口31のバルブ43は閉じたままである。
点火された混合ガスは、高熱と大量のCO2 を矢印49のように発生し、図3に示す装置の全体から排気口32より滞留空気を排出させ、全装置を空気中のO2 からクリアーにすることができる。
第2段階の操作は、前記操作による高熱のまま、排気口32を閉じ、ガス投入口31を開放してバーナーの吹管内筒7よりメタンを酸素メタン炎の中心に吹き込み、瞬間的に加熱し、金属触媒筒14、15、16、17、18に入り、メタンを炭素と水素に分解する。金属触媒筒14、15、16、17、18はメッシュ状の円筒で、金属触媒筒18はパラジウム薄板、金属触媒筒17はニッケル薄板、金属触媒筒16はクロム薄板、金属触媒筒15はコバルト薄板、金属触媒筒14は白金薄板のように一定間隔を置いて同心円状に配置されており、矢印49の方向に吹き抜けて炭素が滞留することのないようになっている。
矢印49のように吹き出された分解ガスは、図3に示すように、サイクロン塔38で炭素が分離され、ポンプ36で加圧されて水洗塔37でアルカリ薬液によって洗浄され、CO2 が除去されて、ポンプ35で加圧してバルブ41よりフロート式水素タンク33に貯蔵される。
第3段階の操作は、前記操作により作られフロート式水素タンク33に貯蔵された水素を、タンク上部のバルブ34の操作により図1のガス投入口31に送られ、バルブ43、30、24が開かれ、バルブ25が閉じられてガス混合室26で水素と酸素の混合ガスを作り、吹管外筒19より矢印8のように噴出させ点火される。
これによって、金属触媒筒14、15、16、17、18が加熱され高温になったところでバルブ31を開き、バーナー内筒27より矢印10のようにメタンが酸水素炎によって加熱された金属触媒筒14、15、16、17、18に吹き込まれ、一瞬のうちに500〜1000℃に加熱、メタンは水素と炭素に分解され、矢印49のように水素と炭素の投入口39よりサイクロン塔38に送り込まれ、ここで炭素を分離、サイクロン塔38外壁の冷却ジャケット44で冷却され、ポンプ36で吸引、圧縮して水洗槽37を通り、ポンプ35で圧縮、バルブ41を経て、フロート式水素タンク33に貯蔵される。
なお、バーナー加熱部の金属製外構部11の内側には、セラミック製断熱筒12が張り付けられ、加熱炉の高温が保てるようになっている。バーナーの過熱を防ぐための水冷式のジャケット28を備えている。この金属製外構部11は端板21に当接固着されている。バーナー加熱部30は、図3に示すようにサイクロン塔38に1又は数個取付けられている。サイクロン塔38には冷却用ジャケット44が取付けられ、この熱は冷暖房に利用できる。なお、図中の符号40は炭素である。
本発明は、炭化水素ガスよりCO2 を発生させないで、水素を連続的に生産するのに、操業中必要な時だけ加熱するようにしたものであるが、通常の内燃機関の排気浄化にも利用できる。
27…吹管内筒
19…吹管外筒
14、15、16、17、18…金属触媒筒
19…吹管外筒
14、15、16、17、18…金属触媒筒
Claims (3)
- 装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法。
- 炭化水素の種類と分解温度範囲の多くについて対応できるように、金属触媒筒はパラジウム、ニッケル、クロム、コバルト、白金の薄板を使用した請求項1記載の3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法。
- 炭化水素と酸素からだけで水素を生産するための操作および制御を容易にするために、装置全体から空気を排除する操作、炭化水素を加熱分解して粗水素を作る操作、前記の粗水素を燃料として生産する工程の全てをバルブの操作で行えるようにした水素を生産する請求項1記載の3極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法。
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